二氧化氯氣體在食品工業殺菌中的應用研究進展

姚昱錕，方婷 ，潘潔茹

1. 閩臺特色海洋食品加工及營養健康教育部工程研究中心（福州 350002）；2. 福建農林大學食品科學學院（福州 350002）；3. 福州市疾病預防控制中心（福州 350002）

近年來，食品安全問題越來越引起人們關注。隨著食品加工過程中化學品和新技術的廣泛使用，伴隨的食源性疾病也不斷涌現。而一直以來由于病原微生物的感染而導致的食品腐敗，不僅讓食品行業承受了巨大損失，也極大程度上威脅了人類的身體健康與生命安全。因此，尋找一種殺菌效果好、經濟環保又可以大規模廣泛使用的殺菌劑對于提高食品安全性具有重要意義。在常用消毒劑的性質比較中可以看出，抗菌能力前三強的臭氧、二氧化氯水溶液和二氧化氯（ClO2）氣體中，ClO2氣體對環境安全，pH耐受范圍廣，僅微量腐蝕且成本適中，所以ClO2氣體是一種理想的抗菌劑[1-2]。目前，固態或液態ClO2大多用于食品加工器皿、管道、場所等的殺菌，少量用于果蔬表面處理和水產品加工，而ClO2氣體在食品殺菌的應用還處于試驗階段，用于新鮮農產品的處理，可以殺滅包括沙門氏菌、大腸桿菌O157：H7和單核細胞增生李斯特菌在內的一系列致病菌。相較于其水溶液，ClO2氣體具有更強的抗菌作用。另外，ClO2氣體不會與氨反應生成氯胺或三鹵甲烷化合物[3-5]，具有抗菌能力強、對環境安全、pH耐受性好、成本適中的特點。

1 二氧化氯氣體的性質

二氧化氯（ClO2）氣體在常溫下呈黃綠色或橘紅色，具有刺激性氣味，易溶于水，室溫下溶解度是氯氣的5倍，在水中以水合分子存在，不易發生水解反應[6]。稍微酸化（pH 6）的二氧化氯水溶液與二氧化氯氣體相比穩定性增強。二氧化氯氣體是一種選擇性強的氧化劑，與氯不同，它不與有機化合物反應產生致癌的三鹵甲烷（THM）。此外，它不會與氨反應形成氯胺[7]。

2 二氧化氯氣體的殺菌機理

ClO2氣體的殺菌機制包括細胞膜失穩[8-9]，與氨基酸的反應及蛋白質合成中斷[10]，以及DNA/RNA/蛋白質的氧化作用[1,11]。早年的研究發現ClO2氣體處理會使細胞形態發生變化[5]。近年來研究發現ClO2氣體主要靠破壞細胞膜的穩態使膜兩側滲透壓差改變：細胞膜中的含氧化合物和蛋白質與ClO2氣體反應[8-9]。有研究懷疑ClO2氣體會通過改變膜內脂質和蛋白質的構型來增加細胞膜的通透性[8]。ClO2氣體還可通過阻礙微生物的蛋白質合成來殺死微生物[10]。部分氨基酸發生氧化還原反應使蛋白質分解，進而控制微生物蛋白質合成[12-13]。ClO2氣體通過氧化酶的巰基形成二硫鍵類似物，從而導致酶的原始生理功能出現問題[14]。

3 二氧化氯氣體的制備裝置及方法

二氧化氯發生器制備ClO2氣體的方法主要有電解法和化學法，電解法中廣泛使用的是隔膜電解法，生成的ClO2氣體濃度一般在10%～30%。化學法主要是以氯酸鈉（NaClO3）和亞氯酸鈉（NaClO2）為原料的兩類發生方法。在氯酸鈉法生產過程中，氯離子作還原劑制得的ClO2氣體濃度低，而亞氯酸鈉法制得的ClO2氣體純度高。此外，可用Cl2或HClO氧化NaClO2或在酸性介質中使NaClO2自身氧化還原生成ClO2。其優點是操作簡便易控、制取的ClO2純度高，缺點是反應速度慢、耗酸量大、成本較高，對設備條件要求苛刻，一般只適于實驗室和小規模生產。

將其應用于食品上時，可以使用食品級酸與NaClO2溶液反應生成ClO2[12]。若產生的ClO2含有一定水分，需經過一系列處理后才可用于密閉環境的殺菌。考慮到包裝內殺菌的需要，同時為了避免殺菌后的二次污染，近年來有團隊設計了標簽搭載殺菌劑形式的產品[15]。除了用硫酸與食品級酸作為反應物，呼吸作用產生的二氧化碳和水也可于與NaClO2反應[16]。生產中標簽類的產品使用靈活，但是諸如如何避免標簽轉移時氣體泄露等安全問題還有待進一步解決。

Nam等[17]通過將NaClO2添加到硫酸溶液的方法制備含水ClO2，再通過圓柱形氣密容器收集自然產生的ClO2氣體并測量其濃度（圖1），然后乘以制造商推測的校正因子（0.5）得到ClO2氣體的濃度。該法工藝簡單，操作方便；但反應速率慢，酸量大，產生的廢酸多，副產物含一定量的Cl2，需通過后期計算得出ClO2氣體濃度。

圖1 可收集由硫酸和亞氯酸鈉的混合物產生的ClO2氣體的氣密容器[17]

Park等[18]使用ClO2氣體發生系統制備ClO2氣體，系統產生的ClO2氣體被引入聚氯乙烯處理室（圖2）。將樣品放在處理室內的樣品托盤上，并蓋上塑料蓋。當達到所需的ClO2濃度和相對濕度時，移開塑料蓋，將待殺菌物質暴露于ClO2中。

圖2 ClO2氣體處理系統的示意圖[18]

Saade等[15]研發出一種用于單個包裝食品的抗微生物內包裝標簽（圖3）。首先制作含有檸檬酸的乙烯乙酸乙烯酯（EVA）聚合物標簽，擠壓，然后用濃亞氯酸鈉噴涂表面。應用前熱壓標簽，以激活反應，再將標簽粘貼到初級包裝的內側，并立即密封。之后，來自亞氯酸鈉溶液和（或）包裝食品中的水分會一直維持ClO2氣體的生成和釋放，直到所有檸檬酸和亞氯酸鈉被消耗掉為止。

圖3 制造用于ClO2自生包裝標簽的嵌入檸檬酸的合成聚合物的概念開發[15]

Zhou等[16]提出了一種新的ClO2氣體生成方法：利用番茄呼吸過程中釋放的二氧化碳和水分，與NaClO2反應生成ClO2。Zhou等[19]進一步開發了兩種新穎的生成系統（即靜電紡絲纖維和離型膜）用于實際應用。與Saade等[15]研發的標簽相比，這種薄膜不需要任何激活步驟，更加方便。

之后Saade等[7]又發明了一種多層生物基包裝標簽（圖4）。該標簽由嵌入檸檬酸的果膠功能層和嵌入亞氯酸鈉的明膠功能層交替組裝而成，在功能層之間選擇性插入明膠阻隔層。標簽各層成分分別通過溶液澆鑄制成，交替組裝，通過給予適當的壓力來觸發反應。包裝中新鮮產品呼吸作用產生的水分促進并維持這些標簽不斷產生ClO2氣體。通過改變前體的量（如標簽的表面積、功能層的數量和試劑的用量）或明膠阻隔層的插入數量可以控制ClO2氣體產生的反應限度和速率。

圖4 產生ClO2的生物基聚合物包裝標簽的概念開發[7]

基于氯氣（在氮氣中占4%）與次氯酸鈉的反應，Du等[20]在CDG實驗室發生器中制備濃度為160～180 mg/L的ClO2氣體。在圓筒內記錄相對濕度和溫度，采用隔膜真空泵控制相對濕度。同時，氣缸內的ClO2氣體循環通過隔膜真空泵。Zhang等[21]研究了固體ClO2釋放劑的制備方法。將固體ClO2片劑（10 mg）制成粉末，與990 mgβ-環糊精均勻混合，并將混合物壓制成片劑（1 g），使用碘量法檢測片劑中ClO2的濃度，然后立即用于試驗。此方法同樣靈活簡便。

4 二氧化氯氣體的殺菌效果

國內外多項研究表明，ClO2氣體處理對果蔬、干果、香料等食品殺菌效果良好。對于同種病原菌，不同研究團隊有不同的規律性發現，可能的原因是：內部因素如胡蘿卜是否削皮，番茄品種不一；外部因素，如溫度高能加速氣體循環，濕度高有利于ClO2氣體與水結合。綜合看來，在溫度一定的條件下，ClO2濃度越高，處理時間越長，微生物減少量越多，而不同微生物有不同的表現。

4.1 二氧化氯氣體對食品上細菌的殺菌效果

在諸多致病菌中，科學家們對于單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、沙門氏菌（Salmonella enterica）與大腸桿菌（Escherichia coli）的研究較為集中。Du等[20]在蘋果表面接種單核細胞增生李斯特菌，用4.0 mg/L的ClO2氣體處理一段時間后，細菌減少了5.5±1.0 log10CFU（10 min），3.9±0.0至6.5±0.1 log10CFU（30 min）。Bridges等[22]研究了低濃度長時間ClO2氣體處理對志賀毒素大腸桿菌（STEC）、腸炎沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌在小胡蘿卜、矮灌木藍莓和牛排番茄上的有效性。在小胡蘿卜試驗組中，STEC在3種細菌中最為敏感，將較低ClO2濃度（0.03 mg ClO2/g或0.04 mg ClO2/g）用于處理小胡蘿卜的STEC即可。矮灌木藍莓試驗組的STEC同樣對ClO2氣體最敏感，但與其他兩種樣品相比，ClO2氣體處理對于藍莓的殺菌效果不是很有效。在牛排番茄試驗組中，用0.07和0.15 mg ClO2/g番茄的ClO2氣體處理5.0 h后，這3種細菌的檢出限均降低至檢測線以下（＜1 log10CFU/g）。對于沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌，在低濃度長時間處理條件下，按試驗濃度梯度增加ClO2劑量或處理時間不會導致細菌減少量有顯著變化（p＜0.05）。而Trinetta等[23]研究了高濃度短時間ClO2氣體處理對羅馬番茄上接種的沙門氏菌的殺菌情況，結果發現ClO2濃度和處理時間對于沙門氏菌的滅活效果有極顯著影響（p＜0.01）。這兩個團隊研究結果不同，可能是因為實驗條件的差異。Park等[24]發現ClO2氣體和適度的濕熱（100% RH，55 ℃）對于雞蛋殼上糞便中的腸炎沙門氏菌存在協同致死作用。Wang等[25]研究發現低水平（＞1 mg/L）的ClO2氣體足以滅活葡萄番茄莖疤區域的大部分沙門氏菌。

Park等[26]將大腸桿菌O157：H7、鼠傷寒沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌3種病原菌混合接種于菠菜和番茄上，重點研究了溫度對殺菌效果的影響。研究表明，溫度控制可以替代高濃度ClO2氣體的使用，避免高濃度ClO2可能導致的食品質量的改變，加工表面的腐蝕加速或安全問題。

除了以上3種致病菌，ClO2氣體還可用于銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的殺菌。Oforia等[27]研究了ClO2氣體濃度、pH和溫度對水中這兩種細菌的影響，結果發現在推薦用于飲用水的最大劑量（1.5 mg/L）處理過后，仍然存在大量細菌。在較高pH的室溫條件下，用高濃度ClO2氣體作為消毒劑更為有效，其消毒速率受細菌初始密度的影響較小。

綜上所述，低濃度長時間處理的實驗效果可以由高濃度短時間處理達到。在一定條件下，控制溫度可以代替高濃度ClO2氣體達到的殺菌效果，從而減少ClO2殘留帶來的危害。

4.2 二氧化氯氣體對食品上真菌的殺菌效果

Zhang 等[21]將感染擴展青霉（Penicillium expansum）的蘋果在25 ℃條件下用質量濃度為50，100，150和200 mg/L的ClO2處理。結果表明：5 d后，與對照組（p＜0.05）相比，處理過的果實病變直徑顯著減小且濃度越大效果越明顯。Fu等[28]將感染灰霉病的青椒和冬棗用質量濃度為50，100和150 μmol/L 的ClO2處理，結果表明ClO2氣體對灰霉病殺菌效果與氣體濃度呈正相關。郭凱旋等[29]對比研究了枯草芽孢桿菌和黃曲霉菌對ClO2氣體的耐受性差異。結果表明：低濃度ClO2氣體對黃曲霉菌的殺菌效果比對枯草芽孢桿菌的更好；殺菌濃度和殺菌時間對殺菌效果的影響存在一定的交互作用。馬駿等[30]以苦蕎、甜蕎為黃曲霉菌載體做了進一步研究，結果發現影響殺菌率的主導因素在某個殺菌濃度兩側不同。當霉菌載體為甜蕎時，采用8.5 mg/L ClO2作用于其表面30 min，殺菌率達到98.4%；當霉菌載體為苦蕎時，采用4.5 mg/L ClO2作用于其表面10 min，殺菌率達到99.9%。接種于苦蕎上的黃曲霉菌較甜蕎上的黃曲霉菌更易被殺滅，可能是因為苦蕎種子顆粒較小，與殺菌劑ClO2氣體的接觸面積較大。

綜上，影響ClO2氣體對真菌殺菌率的因素主要為殺菌濃度與殺菌時間。但是，ClO2氣體對細菌與真菌殺菌效果的對比研究，以及其他因素例如溫度、濕度等對殺菌效果的影響研究較少。

5 結語與展望

ClO2氣體殺菌技術是近年來的研究熱點，作為一種新型殺菌技術，由于其殺菌效果好、安全性高，在我國逐漸得到發展。ClO2氣體殺菌不僅能保證食品的安全性，而且能避免由ClO2水溶液處理帶來有毒副產物的影響。因此，ClO2氣體在食品殺菌方面具有較為廣闊的應用前景。

然而，想要大規模推廣ClO2氣體殺菌技術，首先要解決ClO2氣體發生裝置的生產與創新設計，同時嘗試結合其他滅菌技術（如輻射、超聲、二氧化碳、超高壓、過熱蒸汽干燥等）進行復合滅菌，進而克服單一滅菌技術的缺陷。此外，相關部門需要進一步完善ClO2氣體生產、運輸、貯存與應用規范，保障生產過程中生命安全與財產安全。盡管ClO2氣體殺菌技術不能完全取代傳統的處理方法，但作為一種補充或輔助手段進行開發，其應用前景必將廣闊。